游亮

摘要：高性能工程机械用钢具有高强度、高硬度、良好的冲击韧性。广泛用于矿山开采和各类工程机械设备中，能够很好地改善机械的使用寿命和施工效率，增加安全性。利用金相显微镜、拉伸等实验方法，研究了回火工艺对600MPa级机械工程用钢组织和性能的影响。结果表明，随着回火温度的提升，试验钢的强度、硬度、伸长率都会呈现先上升后下降的趋势；强度和硬度均在650℃达到最大值后急剧下降，伸长率则在600℃达到最大值，随后下降；基于强度和低温冲击韧性的综合考量，600℃回火30min的热处理工艺较合理。

关键词：工程机械用钢；回火工艺；机械性能；显微组织

一、引言

近年来，工程机械业行业持续快速的发展，提升了工程机械用钢的需求量，这些增量将不断地支撑起工程机械用钢的巨大平台[1]。对工程機械产品而言，用钢成本约占总成本的30%，降低材料成本或使用高性能钢材用于工程机械是企业的良好选择，有其市场驱动力[2]。受力结构件大约占到整体质量的40% ～60%，加强钢的力学性能，可以降低产品质量构成的占比，从而提高使用效益，节省能源，增加安全性[3]。但还存在着机械产品结构件在使用的过程中，会承受错综变化的周期性载荷，因此其用钢材除了要具备高强度外，也需要考虑高的疲劳强度、好的冲击韧性、冷成形性以及良好的焊接性能。中国的工程机械与国际接轨，朝着大型化、轻量化发展，对钢铁产品性能的要求也是越来越高[4]。

国外先进钢铁企业如JFE、SSAB开发的工程机械用高强钢种类多、产品质量好，具有强度高的、韧性好、极优的焊接性等特征。国内工程机械用高级别强度钢的研究起步较晚，强度级别和产品种类质量都与其他国家存在差距[5]。引进这方面的产品工艺近20年后，工程机械用钢打破了A3和16Mn钢的低级别状态，升级换代才提上日程[7]。目前，人们根据不同强度级别开发出了4个钢级（60kg、70kg、80kg、100kg）。

本课题主要研究热处理工艺对工程机械用钢显微组织与力学性能影响。对600MPa级工程机械用钢进行回火处理，研究了回火工艺对其力学性能和显微组织的影响及相关机理，并获得试验钢最佳的回火温度。

二、实验材料和实验方法

实验用钢选取了3mm厚度规格600MPa级机械工程用钢，具体的化学成分见表1。

首先取好样品（3mm试样16块），然后进行热处理，随炉升温，550/600/650/700℃，保温20或30分钟，在空气中冷却，最后进行检测分析。

将试验钢试样，镶样后研磨、抛光，用4%的硝酸-酒精溶液侵蚀，使用Leica DMI 5000M型金相显微镜观察分析显微组织。根据GB/T 228-2002将实验钢加工成拉伸试样，用PTSA 100A型万能试验机测试实验钢的机械性能，用维氏硬度计测定实验钢的硬度，记录测试结果和显微组织。

三、实验结果分析

（一）回火温度对600MPa级机械工程用钢显微组织的影响

图3.1为试验钢原始金相组织照片，回火前试样的显微组织主要是由马氏体和残余奥氏体组成，以马氏体为主，组织较细小。试样通过550℃保温20min回火处理后，由图3.2（a）看出回火前后组织转变不明显，可以看到明显的板条构造，在板条贝氏体的内部组织之中可以观察到各个区域。当温度上调到600℃时，如图3.2（b）所示，钢中板条贝氏体的量下降，M-A岛也发生了明显的分解，出现了较明显的细粒状渗碳体和铁素体。当回火温度提高到650℃后，如图3.2（c）所示，板条贝氏体边界不清楚，位错呈现高密度网状形态。700℃回火，由图3.2（d）可以看到，所得组织是回火屈氏体和回火索氏体，多边形铁素体进一步增加，同时还可以看到细粒状渗碳体，准多边形铁素体的量很少，这说明经过热处理后的钢组织回火稳定性很好。

（二）回火温度对高强度机械工程用钢力学性能的影响

从表4中可以看出，未回火的3mm试验钢抗拉强度为845MPa，屈服强度为778 Mpa，断后伸长率为17%。当温度升至600℃时，抗拉强度升至960MPa，当温度升至700℃时，抗拉强度降至882MPa。相对于抗拉强度经回火温度的先上升后下降，屈服强度先降后升再降，在550℃到达顶值874MPa，而后出现下降，在600℃时，下降至865MPa，然后升高再下降，直至700℃时，屈服强度到达最低值805MPa，试验钢的断后伸长率随着回火温度的变化是先升高后下降，在550℃是最低值19.3%，在650℃时断后伸长率最高，达到21.2%。

（三）分析与讨论

综合上述数据分析，而回火温度对强度/硬度/伸长率是先上升后下降。这是因为原始组织为性能很脆弱的马氏体组织加膜状残留奥氏体，这两种组织都是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化。

热处理工艺过程中，伴随回火温度的提高，组织类型相对的发生改变。温度过低时，组织类型为回火马氏体和奥氏体，马氏体的硬度很高，马氏体中碳质量分数越大，马氏体的硬度就越高。高碳马氏体因为过饱和度大、内应力高和有孪晶结构，所以硬而脆，可塑性、冲击韧性极不好。但是随着碳原子的析出扩散，低碳马氏体就会出现。由于低碳马氏体过饱和度小，内应力低和存在高密度位错亚结构，不仅强度高，而且塑性、韧性好。所以一开始试验钢回火后的硬度低，冲击性能好。

随着温度的进一步升高，组织又会变为回火马氏体和回火屈氏体，铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。回火屈氏体具备高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定程度韧性。M/A岛的大量分化会导致抗拉强度的下降，但是在基体和硬质相在力作用下的形体转变行为更加配合得当，也会提高屈服强度。700℃回火后时，组织类型为回火屈氏体和回火索氏体，大部分为铁素体，这些铁素体组织已经变得很粗大。回火索氏体的综合力学性能最好，即强度、塑性、韧性都比较优良。同时，渗碳体分布在铁素体晶粒之间，容易引起脆断。随回火温度升高，组织内板条通过界而合并变宽或发生再结晶，位错密度降低和位错缠结形成胞状亚结构，这是软化作用。这种软化作用使得伸长率升高较明显，由回火前的17%增加到700℃回火时的23%，同时降低抗拉强度。这些数据表明工程机械用钢的回火温度不宜超过650℃。

结论

（1）回火前得到的组织均为马氏体和残余奥氏体的复合组织，组织较细小。伴随着回火温度的提升，马氏体分解，奥氏体部分转变为铁素体，板条间距增加，粗化现象明显。

（2）回火温度对试验钢的强度、硬度、断后伸长率影响较大。随着回火温度的提高，试验钢的强度/硬度/伸长率会出现先上升后降的趋向。

（3）試验钢会在600℃获得优良的力学性能，合理工艺为回火温度600℃保温30分钟。

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